阅读说明：本技术 一种高性能纤维增强热塑性树脂基复合材料增材制造方法 (Additive manufacturing method of high-performance fiber-reinforced thermoplastic resin-based composite material ) 是由 单忠德 宋亚星 吴晓川 战丽 陈意伟 于 2020-04-23 设计创作，主要内容包括：一种高性能纤维增强热塑性树脂基复合材料增材制造方法,先对目标制件进行分层离散等处理,确定打印参数；制备特定尺寸增强体；内层喷嘴挤出复合材料进行基板打印；外层喷嘴进风口进风,气流经加热块加热成高温热流,增强体在投放口投放,随高温热流经外层喷嘴以一定角度附着在内层喷嘴挤出的复合材料上；激光按规划路径对扫描点进行预热处理,喷头同步进行打印；在道间相交处,附着在挤出材料上的增强体被动压入重叠处树脂里,完成一层的制造；在层层叠加过程中,附着在挤出材料上的增强体被动压入四周熔融树脂里,直到完成目标制件的增材制造。本发明可实现包含Z向层间结合性能在内的成形件整体结合性能提升的高性能制造。(A high-performance fiber reinforced thermoplastic resin matrix composite material additive manufacturing method comprises the steps of firstly carrying out layering dispersion and other treatments on a target workpiece, and determining printing parameters; preparing a specific size reinforcement; the inner layer nozzle extrudes the composite material to print the substrate; the air inlet of the outer layer nozzle is used for feeding air, the air flow is heated by the heating block to form high-temperature heat flow, the reinforcement body is put in the putting opening and attached to the composite material extruded by the inner layer nozzle at a certain angle along with the high-temperature heat flow through the outer layer nozzle; the laser carries out preheating treatment on the scanning points according to the planned path, and the spray heads synchronously carry out printing; at the intersection between the lanes, the reinforcement attached to the extruded material is passively pressed into the resin at the overlap to complete the fabrication of one layer; in the process of layer-by-layer stacking, the reinforcement attached to the extruded material is passively pressed into the surrounding molten resin until additive manufacturing of the target part is completed. The invention can realize high-performance manufacturing with improved integral bonding performance of the formed piece including Z-direction interlayer bonding performance.)

一种高性能纤维增强热塑性树脂基复合材料增材制造方法

技术领域

本发明涉及一种高性能纤维增强热塑性树脂基复合材料增材制造方法，属于先进制造技术领域。

背景技术

纤维增强树脂基复合材料由纤维材料与基体材料构成，具有重量轻、强度高、成形方便、耐腐蚀等优点。其主要应用于航空航天、军事、交通等领域。纤维增强复合材料按照纤维材料长度可分为连续纤维增强复合材料和短纤维材料增强复合材料。目前针对该材料的制造，除了传统的纤维铺放制造技术外，基于熔融挤出原理的增材制造技术凭借更易成形复杂结构，且不需模具，工艺相对简单实现，已成为未来重点的发展趋势。

但该技术“层层叠加”的原理特性导致层间仅靠树脂粘结，结合性较差，限制成形件的Z向性能，进而约束了该材料在应用上的性能优势。为解决层间结合较差，有人在Z向埋入纤维棒，置入方式包括利用射钉枪或预置热枪打入；也有人引入连续纤维，结合纤维铺放技术或纤维编织技术实现Z向增强。综合来看，他们主要是基于在熔融挤出装置之外引入第三方机构进行增强纤维的置入，相对而言成形装置较为复杂。

发明内容

为克服上述存在问题，提出了一种新的增强体置入方式。本发明的目的在于提供一种高性能纤维增强热塑性树脂基复合材料增材制造方法，无需模具和单独置入增强纤维装置，在实现纤维增强热塑性树脂基复合材料三维成形的基础上，提升成形件Z向结合性能的同时能够实现区域性能调控，实现高性能制造。

为了达到上述的目的，本发明采用如下的技术方案：

一种高性能纤维增强热塑性树脂基复合材料增材制造方法，包括以下步骤：

1)对目标制件的三维数据进行分层离散：对目标制件的三维数据进行离散处理、路径规划、工艺参数设定等，得到打印制造数据；

2)增强体制备：增强体是指具有一定刚度，且在长度与直径上有限制的细杆；将特定直径的丝材，经剪裁制成一定长度的增强体；增强体的材料可以是三种，根据不同的功能需求进行选择：①依据目标制件的树脂及纤维种类，经拉挤工艺制备成特定直径的单向纤维复合材料丝材、②特定直径的轻有色金属丝材、③特定直径的纤维金属复合丝材，如镀镍碳纤维和镀铜碳纤维；纤维增强复合材料的增强体能够提升成形件的纤维体积含量，轻有色金属材质或纤维/金属复合材料的增强体则能够使成形件具备导电/导热等功能；

3)打印基板：双层喷嘴启用内层，内层喷嘴挤出熔融的树脂基复合材料进行基板打印；

4)目标制件的制造：双层喷嘴同时启用内层和外层，外层喷嘴进风口进风，气流经喷嘴上方加热块加热成高温热流，此时投放步骤2)制备的增强体，增强体随高温热流以一定角度附着在内层喷嘴处挤出的树脂基复合材料上；激光以步骤1)的规划路径对预扫描点进行预热处理，同时喷头以步骤1)的规划路径和打印参数进行打印；在轨迹相交处，附着在挤出材料上的增强体被动地压入重叠处的树脂里，完成一层的制造；

5)重复上述步骤4)，在层层叠加的过程中，附着在挤出材料上的增强体被动地压入四周熔融树脂里，直到完成目标制件的增材制造。

进一步的，纤维增强树脂基复合材料中的纤维是短纤维、定长连续纤维和连续纤维的一种或多种，纤维材料适用于碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维等，树脂基体适用于聚乳酸、聚乙烯、尼龙(6/66)、ABS等热塑性树脂。

进一步的，工艺参数设定包含不限于所需的喷嘴孔径、扫描间距、扫描速度、层厚等；

进一步的，制备的增强体的直径在0.05～0.5mm，对应的长度在0.1-1mm，增强体的尺寸选用与喷嘴直径有关；在打印过程中可以在不同区域投放不同规格的增强体，以调整制件不同成形区域中的增强体的规格，从而进行区域性能调控。

进一步的，增强体不仅在层间起连接作用，也在扫描道间起连接作用。

进一步的，双层喷嘴可替换不同尺寸型号。

进一步的，双层喷嘴的外层进风可控，包括不限于进风速度、进风温度、进风方向，可控制步骤4)外层喷嘴中增强体附着在内层喷嘴处挤出的树脂基复合材料上的深度和角度。

进一步的，打印头、激光预热器之间没有空间干涉。

本发明的有益效果如下：

1.本发明将基于熔融挤出的纤维增强热塑性树脂基复合材料增材制造技术与增强体嵌入式增强技术进行融合，创新地使用双层喷嘴，在内层喷嘴挤出的熔融复合材料上以一定角度附着嵌入增强体，在打印的层间与道间利用增强体进行多向连接，不仅提升了层间结合性能，也增强了XY面内的结合性能，有效提高熔融挤出成形方法层间和道间结合强度，提升成形件的结构稳定性和整体性。

2.本发明可根据目标制件不同区域的性能及功能要求，在打印中，不同目标区域使用不同规格的增强体，从而实现区域性能调控。纤维增强复合材料制备的增强体，可提高成形件的纤维体积含量，从而提高材料综合力学性能；金属材料或者纤维/金属复合材料的增强体，成形件可具备导电/导热等多功能；不同层处可使用同种但不同尺寸的增强体，可实现功能的梯度性。

3.本发明易于实现纤维增强热塑性树脂基复合材料制造的自动化、数字化，能够实现复杂大尺寸复合材料构件的快速制造。

附图说明

图1为本发明一种高性能纤维增强热塑性树脂基复合材料增材制造方法的示意图。

附图标记

1—进风口与增强体投放口 2—加热块 3—基板 4—增强体

5—外层喷嘴 6—内层喷嘴 7—附着嵌入增强体的熔融挤出复合材料

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合实施案例进一步阐明本发明内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施案例。此外，本技术领域人员在阅读了本发明阐述的内容后可对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样适用于本申请所附权利要求书所限定的范围。

1)对目标制件的三维数据进行分层离散：目标制件定为，长为50mm，宽为30mm，高为20mm的长方体；利用商业软件对其进行离散处理和路径规划；设定打印参数如下：扫描间距1mm，层厚0.3mm，扫描速度5mm/s，温度210℃，打印材料为PLA复合连续碳纤维材料，内层喷嘴6直径为0.4mm，外层喷嘴5直径为0.6mm；

2)增强体4制备：选择制备方式①制备，利用PLA浸渍碳纤维制得直径为0.15mm的丝材，经剪裁制成长度为0.3mm的具有一定刚度的增强体4；

3)打印基板3：双层喷嘴启用内层，内层喷嘴6挤出熔融的PLA复合连续碳纤维材料进行基板3打印；

4)目标制件的制造：双层喷嘴同时启用内层和外层，外层喷嘴5进风口1Z向进风，风速为4.5m/s，温度80℃，气流经喷嘴上方加热块2加热成高温热流，此时投放步骤2)制备的增强体4，增强体4随高温热流以一定角度附着在内层喷嘴6处挤出的PLA复合连续碳纤维材料上；激光按照步骤1)规划路径对预扫描点进行预热处理，同时喷头按照步骤1)规划路径和打印参数进行打印；在轨迹相交时，附着在挤出材料上的增强体4被动地压入重叠处的PLA里，完成一层的制造；

5)重复上述步骤4)，在层层叠加的过程中，附着在挤出材料上的增强体4被动地压入四周熔融PLA里，完成目标成形件的制造。